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如今几乎所有数字元件背后的逻辑电路都依赖于两种成对的晶体管– NMOS 和PMOS。相同的电压信号会将其中一个晶体管打开，而将另一个关闭。将它们放在一起意味着只有发生些微变化时电流才会流通，进而大大降低了功耗。这些成对的晶体管已经彼此栉次鳞比在一起好几十年，但是如果电路要继续缩小，它们就必须靠得更近。
英特尔（Intel）在本周的IEEE 国际电子元件大会（IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM）上展示全然不同的排列方式：把一对晶体管堆叠在另一对上面。该方案有效地将一个简单的CMOS 电路所占面积减半，这意味着未来IC 集成电路芯片上的晶体管密度可能会增加一倍。
该方案首先使用了被广泛认可的下一代晶体管结构，该结构有不同的称呼，包括纳米片（Nanosheet）、纳米带（Nanoribbon）、纳米线（Nanowire）或环绕式结构（Gate- All-Around, GAA）元件。和当前晶体管主要部分是由垂直硅鳍片组成之常见做法不同的是，英特尔纳米片的通道区是由多个相互堆叠之水平纳米级薄片组成。
采用自我对准制程配方，修改制造步骤成为制程重点
英特尔工程师使用这些元件来打造极简的CMOS 逻辑电路，亦即所谓反向器（Inverter）。它需要两个晶体管，两个电源接线，一个输入连线和一个输出连线。即使晶体管也采取像当前并排的放置方式，但排列得非常紧凑。透过堆叠晶体管并调整互连，反向器面积得以减半。
英特尔用于打造堆叠式纳米片的配方被称为「自我对准」（Self-Aligned）制程，因为其实质上可透过相同的步骤中构建两种元件。这很重要，因为多加第二步骤（比如，在个别的晶圆上构建他们，然后再将晶圆接合在一起）可能会导致晶圆定位偏移，进而造成任何潜在电路的破坏。
该制程的核心重点是对纳米片晶体管的制造步骤进行修改。它首先从重复的硅层和硅锗层开始。然后将其蚀刻成一个又高又窄的鳍片，然后再将硅锗蚀刻掉，留下一组悬浮的硅纳米片。通常，所有的纳米片都会形成单一的晶体管。但在此，最上面两个纳米片会连接到掺磷硅（Phosphorous-Doped Silicon）上，其目的为了形成一个NMOS 元件，而底部两个纳米片则连接到了掺硼硅锗（boron- doped silicon germanium）上，以产生PMOS。
这整个「整合流程」当然要复杂得多，但是英特尔研究人员一直在努力使其尽可能地简单，英特尔资深研究员暨元件研究总监Robert Chau 表示。「整合流程不能太过复杂，因为这将影响到以堆叠式CMOS 制造芯片的可行性。结果证明这是一个非常实用的流程，并取得了可观的成果。」
他表示：「一旦掌握了这个诀窍，下一步就可以开始追求效能表现了。」这可能包括PMOS 元件的改进作业，目前它们在驱动电流方面落后NMOS。Chau 进一步指出，该问题的答案可能是要在晶体管通道中引进「应变」（Strain）。此一构想是透过快速通过载流子（Charge Carrier，在这种情况下为电洞）的这种方式来扭曲硅晶体晶格。英特尔早在2002年就将应变引进至自家元件中。在IEDM 大会的另一项研究中，英特尔展示了一种能在纳米带晶体管中同时产生压缩应变（Compressive Strain）和拉伸应变（Tensile Strain）的方法。
其他研究组织也正展开堆叠式纳米片的设计研究，尽管有时将它们称为互补式场效晶体管（Complementary FET, CFET）。比利时研究组织Imec 率先提出了CFET 概念，并于去年6 月的IEEE超大型集成电路技术研讨会（VLSI Symposia）上发表了实作CFET 的研究报告。但是，Imec 元件并非完全由纳米片晶体管制作而成。其底层反而是由鳍式场效晶体管（FinFET）组成，顶层则为单一纳米片。中国台湾研究人员曾发表一篇有关CFET实作的研究报告，该结构上的PMOS 和NMOS 各有一片纳米片。相比之下，英特尔的电路在3 纳米之纳米片PMOS 上面有一个2 纳米之纳米片NMOS，这更接近当堆叠有必要时元件该有的样子。
来源：综合整理自科技新报、EETOP 等
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